Regenboog

Een regenboog is niet alleen te zien bij regen maar ook in de waterdruppels van een tuinslang of fontein en soms boven de branding in zee. Vanuit een vliegtuig en van een bergtop kan een regenboog als een cirkel zichtbaar zijn, wanneer geen horizon in de weg zit. Het licht wordt weerkaatst en gebroken tot een spectrum van de primaire kleuren die in elkaar overlopen.

Het middelpunt van de boog staat gezien vanuit de waarnemer recht tegenover de zon. Waarnemer en boog vormen samen een denkbeeldige kegel met de waarnemer op de punt van de kegel en de regenboog langs de boogrand van het grondvlak van de kegel. De boog heeft binnen de kegel een halve tophoek van 42 graden en een breedte van rood tot violet van 2 graden.

De kleuren van de regenboog worden traditioneel benoemd als (van buiten naar binnen): rood , oranje , geel , groen , blauw , indigo , en violet . De volgorde kan onthouden worden als ROGGBIV. Uiteraard is er in werkelijkheid een continue verdeling van kleuren, die naadloos in elkaar overgaan en niet scherp te onderscheiden zijn.
Door meervoudige weerkaatsing van het licht in de waterdruppels is buiten de eerste regenboog soms een fletsere boog te zien met de kleuren in omgekeerde volgorde (zie hieronder Tweede en derde regenboog).

Verklaring
De regenboog wordt veroorzaakt door breking en weerkaatsing van zonlicht in waterdruppels. Deze zweven of vallen vrij en hebben dankzij hun oppervlaktespanning een bolronde vorm. Het licht breekt bij het binnengaan van een druppel, weerkaatst aan de achterkant van de druppel, en treedt na nog een breking aan de voorzijde uit, zoals uit een prisma. De verschillende kleuren in het witte zonlicht breken onder verschillende hoeken, wat een spectrum oplevert. De waterdruppel werkt dus tegelijk als een spiegel en een prisma.

Brekingshoek
Afhankelijk van de brekingsindex van de lucht-waterovergang breekt het licht onder verschillende hoeken. Dit heet dispersie of kleurschifting. De grootte van de druppel speelt hier geen rol. Omdat de brekingsindex voor elke kleur verschilt, vallen de kleuren uiteen in deelbogen. Zeewater heeft een grotere brekingsindex dan zoet water (de waarde is 0,007 meer). Een regenboog in verstoven zeewater heeft daardoor een halve kegeltophoek die 0,8 graden kleiner is dan bij een regenboog door regenwater.

Plaats
De regenboog is altijd tegenover de zon te zien, dus als je de zon in de rug hebt. Dit komt door de weerkaatsing van het licht in de waterdruppels. De waarnemer staat op één lijn met de zon en het middelpunt van de regenboog. De plaats van de regenboog is daarmee voor iedere positie van een waarnemer verschillend.

Cirkelboog
De regenboog is rond doordat de waarnemer het gebroken licht alleen kan zien van druppels langs de denkbeeldige rand van de kegel met een tophoek van ongeveer 42 graden (zie figuren). Dit is de hoek tussen het invallende en uittredende zonlicht in elke druppel die bijdraagt aan de regenboog. Druppels op plaatsen buiten de regenboog geven misschien hetzelfde effect, maar hun licht bereikt je niet. Daarom lijkt de regenboog met je mee te bewegen als je je verplaatst.

Tijdstip
De grootste regenbogen zijn te zien als de zon laag aan de hemel staat, dus ‘s ochtends vroeg of aan het einde van de middag. Hoe dichter de zon bij de horizon staat, hoe meer van de regenboog te zien is. Staat de zon vlak bij de horizon, dan is de regenboog een halve cirkel. Vanuit een vliegtuig of hoog gebouw kan zelfs een volledige cirkel te zien zijn. Overdag, wanneer de zon hoger aan de hemel staat, is hooguit een deel van de boog te zien. Hoe hoger de zon, des te lager staat de regenboog, en des te kleiner is de cirkelboog die boven de horizon uitsteekt. Het andere deel van de cirkelboog, onder de horizon, is slecht te zien door de ongunstige achtergrond en doordat daar meestal minder regendruppels zijn. Vaak zijn slechts stukken van de boog te zien, doordat zich niet overal waar de regenboog zich zou kunnen voordoen druppels bevinden. Aangezien voor een regenboog zonlicht dat tegen regen schijnt nodig is, is de kans op regenbogen het grootst bij buiig weer, wanneer buien en opklaringen elkaar afwisselen.

Felheid en banden door druppelgrootte
Afhankelijk van de omstandigheden kan de intensiteit van de kleuren van de regenboog nogal verschillen, evenals de breedte van de kleurbanen. De kleurintensiteit en de breedte van de boog zijn afhankelijk van de grootte van de regendruppels. Hoe groter de druppels, des te smaller de regenboog, maar ook des te sterker de kleuren in het algemeen. De meest voorkomende druppels hebben een middellijn van 0,4 – 10,0 mm. Als de druppels vervormen tijdens hun val of trillen, dan vervaagt de regenboog.

Polarisatie
Door de inwendige weerkaatsing aan de achterkant van de waterdruppels is het licht van de regenboog sterk (96%) lineair gepolariseerd in de richting van de raaklijn aan de boog. De tweede boog is veel minder gepolariseerd: ongeveer 10%.

Rode boog
Bij zonsondergang kan een regenboog er veel roder uitzien dan normaal. Dit komt door dat de andere kleuren (van licht met kortere golflengtes) zoals blauw en groen meer dan het langgolvige rood in de atmosfeer verstrooid worden. De zon zelf is bij ondergang ook roder om dezelfde reden: Rayleighverstrooiing.

Overtallige bogen
Af en toe herhalen de kleuren van de regenboog zich aan de binnenkant. De boog is dan in meer smalle zogenaamde overtallige bogen opgesplitst. Dit effect treedt op bij kleine druppels en kan verklaard worden als interferentie-patroon van de gekleurde lichtbundels die verschillende paden volgen. Als lichtgolven in de pas (in fase) uittreden, versterken ze elkaar, als ze precies uit de pas lopen doven ze elkaar uit. De overtallige bogen zijn onder het hoogste punt van de regenboog het duidelijkst.

Mistboog
In mistbanken is soms een dikke witte boog te zien met een rode buitenrand en een blauwe binnenrand. De waterdruppels zijn dan bijzonder klein, met diameters onder de 0,1 mm – veel kleiner dan bij normale regenbogen. De interferentie van het licht treedt hier sterk op. Kleuren overlappen elkaar en geven samen een witte indruk. Bij nog kleinere druppels ontbreken de gekleurde randen en is de boog geheel wit: de mistboog.

Tweede en derde regenboog
Soms is door dubbele terugkaatsing van zonlicht in druppels buiten de gewone regenboog nog een tweede zwakkere bijregenboog te zien. De kleuren staan in omgekeerde volgorde van de hoofdboog. Tussen de beide bogen is de hemel donker in de zogenaamde donkere band van Alexander genoemd naar de Griekse filosoof Alexander van Aphrodisias (rond 200 n. Chr) die dit verschijnsel als eerste beschreef. Bij voldoende water in de lucht en voldoende sterke belichting is een derde, nog zwakkere regenboog zichtbaar boven de tweede. De boog is weer zwakker doordat een extra weerspiegeling in de druppel optreedt: hierbij gaat licht verloren. Weer is de volgorde van de kleuren omgekeerd, zodat de derde boog dezelfde kleurenvolgorde heeft als de eerste: rood buiten, violet binnen. (Van de derde boog is vaak alleen de kleur groen vaag waar te nemen.) In theorie zijn er nog meer, steeds zwakkere regenbogen.

Spiegelboog
Een zeldzame extra boog die boven een glad wateroppervlak kan ontstaan is de spiegelboog. Deze ontstaat doordat het spiegelbeeld van de zon voor een extra regenboog aan de hemel zorgt. Het spiegelbeeld van de zon bevindt zich onder de horizon en de spiegelboog staat dus wat hoger dan de hoofdboog. Bovendien – maar dat spreekt wel vanzelf – kan men ook in het water een spiegelbeeld van de boog zelf zien.

Maanboog
Ook bij volle maan is soms een regenboog te zien. Deze boog lijkt kleurloos, maar dat komt doordat het menselijk oog bij nacht vrijwel geen kleuren kan waarnemen. Op een kleurendia van de maanboog zijn de kleuren wel te zien.

Effect onweer
Er zijn waarnemingen bekend van het effect van onweer op regenbogen. Bij donder trilde de boog, werden de grenzen tussen de kleuren van de boog uitgewist en verdween de tussenruimte tussen eerste overtallige boog en hoofdboog. Dit wijst op een vergroting – zie bovenstaande tabel – of een trilling van de druppels.

Overig voorkomen
De regenboog kan men ook aantreffen in bijvoorbeeld de dauwdruppels op een spinnenweb of een grasveld, in de nevel van fonteinen en watersproeiers enzovoorts.